煤礦主要通風機配電系統雙電源切換裝置應用研究

鄧 雷，郭兆明

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 西安 710000)

煤炭資源隱藏在礦山地下中，因此開采工作主要以挖掘礦井的形式進行，而挖掘會使得礦下的有毒氣體逸出。為保證開采人員的安全，降低安全隱患，礦井內的通風十分重要，所以風扇系統的存在十分重要[1]。在此背景下，盡可能保證風扇系統能夠不間斷運行。煤礦主要通風機配電系統一般存在2個電源，1個為主電源，1個為輔電源[2]。當主電源發生故障，無法繼續給風扇供電時，就需要輔電源來替代主電源，繼續給煤礦主要通風機供電，直至主電源修復好[3]。面對主電源與輔電源，二者之間存在的一個亟待解決的問題，即如何靈活地實現二者之間的穩定切換[4]。

由于忽略了合閘、開閘過程中電壓穩定性不足，易導致過電壓問題。基于前人研究經驗，本文設計一種新型煤礦主要通風機配電系統雙電源切換裝置。該裝置在原有電源切換裝置的基礎上，并聯并容器吸收高頻電流。該裝置工作過程：首先利用傳感器采集煤礦主要通風機配電系統主電源的運行參數，然后判斷是否發生故障問題，當發生故障問題，立即進入切換程序，控制斷路器完成分閘、合閘操作，并通過電容器解決過電壓問題，實現雙電源之間的穩定切換，以期實現煤礦主要通風機配電系統供電安全，降低礦產資源開采風險。

1 雙電源切換裝置

煤礦開采時，地下有毒氣體的存在會給開采人員帶來極大的安全風險[5]。為保證煤礦主要通風機系統持續運行，提高停機事故的綜合應急處置能力，一般設置2個電源，即主電源和輔電源，前者作為常用電源使用，后者作為備用電源使用[6]。常用電源無法繼續供電時，就需要備用電源來應急。在此背景下，亟待解決一個問題，即主輔雙電源的靈活切換。為此，本文設計一種配電系統雙電源切換裝置，將其應用到煤礦主要通風機系統當中，用于礦井通風應急處置。雙電源切換裝置組成結構包括前端采集設備、中間異常識別以及后期電源切換裝置3部分。

1.1 煤礦主要通風機配電系統電壓信號采樣

雙電源切換裝置的應用前提是判斷主電源供電是否存在異常，只有存在異常，才會觸發切換程序。主電源供電異常判斷首先需要采集煤礦主要通風機配電系統的運行電壓信號[7]。電壓互感器是電壓信號采集的常見設備。其工作原理與變壓器一樣[8]。當給煤礦主要通風機系統的供電發生故障時，其電壓信號與正常供電時的電壓會存在極大的差異，因此通過實時采樣煤礦主要通風機配電系統電壓信號并與正常信號進行比對，就可以實時監測電源供電狀態。采集到的電壓信號中包含了大量的噪聲信號，因此需要去除處理[9]。在這里采用EEMD和ICA結合的方法進行去噪，具體過程如下。

(1)步驟1：利用EEMD算法將電壓信號分解為若干IFM分量，具體過程如下。

step1：輸入原始電壓信號x(t)。

step2：向x(t)中加入隨機白噪聲，組成新的電壓序列信號xi(t)。

xi(t)=x(t)+ni(t)，i=1，2，…，M

(1)

式中，ni(t)為隨機白噪聲；M為x(t)的平均處理次數。

step3：將xi(t)進行經驗模態分解(EMD)，得到：

(2)

式中，n為EMD分解的IMF的數量；IFMi為 IMF分量；ri(t)為殘余分量。

step4：重復上述步驟M次，得到若干個IFM分量。

(3)

1.2 供電異常判別

基于采集并處理好的煤礦主要通風機配電系統電壓信號，進行異常判斷與識別，以此作為電源切換的觸發標準。異常判斷與識別通過基于BP神經網絡構建的判別模型來實現[11]。在這里電壓信號特征作為輸入，以煤礦主要通風機配電系統電源運行狀態作為輸出(異常或者正常)[12]。基于BP神經網絡的判別模型需要訓練，訓練好的模型才能應用到實際主電源異常監測當中[13]。模型訓練分為2個階段，即前向傳播過程與反向傳播過程。

(1)步驟1：初始化權值和閾值。

(2)步驟2：輸入訓練樣本X=[x1x2…xi…xm]，i=1，2，…，m到模型當中。

(3)步驟3：求出隱含層、輸出層各單元的輸出：

(4)

(5)

式中，yi為隱含層輸出；Ol為輸出層輸出；wij為隱含層各單元權值；θj為隱含層連接閾值；vjl為輸出層各單元權值；θl為輸出層連接閾值[14]。

(4)步驟4：計算上述實際輸出與期望輸出之間的誤差e。

(5)步驟5：判斷e是否小于設定的閾值。小于，則完成模型訓練；否則，利用e進行權值和閾值更新，直至達到訓練結束條件，即反向傳播[15]。

將訓練好的基于BP神經網絡的判別模型應用到實際煤礦主要通風機配電系統電源運行狀態分析當中，即可完成電源的切換程序的觸發[16]。但是，BP神經網絡存在局部最小值，易陷入局部最優，結合思維進化算法優化網絡閾值依據權重值，實現全局最優。改進BP神經網絡實現供電異常判別流程如圖1所示。

圖1 改進BP神經網絡實現供電異常判別流程Fig.1 Improve BP neural network to realize the process of power supply abnormality judgment

1.3 雙電源切換程序

基于上述判別模型的識別結果，作為雙電源切換程序的觸發條件[17]。當存在異常狀況時，利用繼電保護裝置進行預警并向所控制的主電源斷路器發出開閘命令，切斷電力供應，同時向所控制的輔電源斷路器發出合閘命令，輔電源進行供電；當主電源異常被排除之后，就會再次觸發雙電源切換程序，即將煤礦主要通風機電源供應切換回主電源，輔電源開閘，關閉電源，等待下一次應急處理[18]。上述過程就是主電源與輔電源之間切換過程，具體過程如下：①煤礦主要通風機配電系統初始化；②檢測兩路電源狀態，主電源優先上電；③電壓定時循環監測；④觀察窗口顯示主電源供電狀態；⑤判斷供電電壓是否正常，若不正常，則進行下一步驟；否則，主電源繼續供電；⑥啟動電源轉換程序；⑦繼電保護裝置向主電源斷路器發出開閘命令，切斷異常供電，并發出啟動輔電源供電命令；⑧輔電源斷路器執行合閘命令，輔電源進行供電；⑨判斷主電源異常是否被排除，若排除，再次觸發雙電源切換程序，即將煤礦主要通風機電源供應切換回主電源，并關閉輔電源[19];⑩等待下一輪應急任務。斷路器是實現主電源和輔電源雙電源切換的關鍵設備，主要任務是執行合閘或合閘操作。繼電保護裝置是控制斷路器合閘或合閘的裝置，是切換命令的發出者[20]。利用斷路器和繼電保護裝置共同實現了電源的靈活切換。一般合閘操作時，由于突然電流的突然接通，經常出現過電壓問題，導致電源爆炸短路，通過并聯電容器來穩定電壓。

2 應用效果仿真測試與分析

為驗證所設計的雙電源切換裝置在煤礦主要通風機配電系統中的應用效果，以MATLAB2015a作為仿真工具，進行測試與分析。

2.1 仿真測試環境

將設計的雙電源切換裝置應用在某地區煤礦井主要通風機系統當中。在該礦井下有1個通風口，通風口設置了1臺風扇進行礦井通風，以此為參考搭建應用測試環境，進行應用效果仿真測試。仿真測試環境如圖2所示。

圖2 應用效果仿真測試環境Fig.2 Simulation test environment of application effect

2.2 電源切換裝置各組成設備選型與安裝

電源切換裝置的組成設備中關鍵有2種，即斷路器和電容器。下面對這2種組成設備的選型進行具體分析。

(1)斷路器。所選用的斷路器為萬能式斷路器CW1-2000。該設備關鍵性能參數：脫扣類型為C；保護功能為過載保護/短路保護；分斷能力為6 000 A；電流規格為32 A/63 A；電壓400 V。

(2)電容器。所選用的電容器為CBB61，該設備體積小、壽命長、比例特性高且具有自愈性能。應用ZnAI邊沿金屬化膜制作、耐大電流沖擊、抗電強度高、使用安全可靠插片、不分正負極、任意接線。基于電源切換裝置中各組成設備，將斷路器和電容器安裝到礦井主要通風機系統中，安裝方案如圖3所示。

圖3 電源切換裝置安裝方案Fig.3 Installation scheme of the power switching device

2.3 電壓信號采集

運行煤礦礦井內主要通風機系統，利用電壓互感器采集配電系統的電力供應狀態信號。電力供應狀態信號分為2種：為正常供電下的電壓信號；異常供電下的電壓信號。二者情況下的電壓信號波形圖像如圖4所示。

圖4 電壓信號波形圖像Fig.4 Voltage signal waveform image

2.4 供電異常判別結果

人為破壞主電源電路，使得主電源電路出現短路故障，利用改進BP神經網絡實現供電異常判別。改進BP神經網絡參數見表1，給出的判別結果如圖5所示。

表1 改進神經網絡參數Tab.1 Improving the neural network parameters

圖5 供電異常判別給出的判別結果Fig.5 Discrimination results given by discrimination for power supply anomalies

2.5 應用效果測試

按照上述供電異常判別結果，運行所設計裝置，進行電源切換，觀察并聯電容前后負載端電壓波形的變化情況。從圖6中可以看出，電容器未并聯時，當斷路器開合閘時，在負載端產生了一段較大波動的電壓，這一段穩定性較差，而電容器未并聯后，主電源切換到輔電源，合閘時，則光滑度很好，電壓波動幅值較小。由此可知所設計的新裝置電源切換時，穩定性更好，更能保證煤礦主要通風機的持續、穩定供電。

圖6 應用效果測試Fig.6 Application effect test

3 結語

礦井下蘊含著很多很危險的氣體(如瓦斯)，極易引發爆炸的危險，給礦產資源開采帶來很大的安全事故。為此，保證礦井下的持續通風至關重要。為達到上述目標，本文設計一種煤礦主要通風機通風配電系統雙電源切換裝置。該裝置通過主電源與輔電源的使用來達到持續供電的目的。二者之間的轉換通過故障檢測來觸發，即通過識別主電源無法繼續供電的情況下，利用斷路器來進行開閘和合閘，以此將電力供應轉換到輔電源。最后通過應用測試，證明了裝置的切換能力。本研究僅在仿真環境中進行一系列的實驗，缺乏可靠的數據支持研究結果，有待進一步分析。